CN106525845B - 一种带电粒子束系统、光电联合探测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带电粒子束系统，所述系统包括：粒子源、镜筒和设置有第一可移动真空窗的样品室；其中，所述粒子源，用于产生一带电粒子束，所述带电粒子束用于照射所述样品室放置的待测样品；所述镜筒主要包括：用于对所述带电粒子束进行偏转的偏转装置和用于对所述带电粒子束进行聚焦的聚焦装置；所述带电粒子束系统能够兼容外部的多种光学系统对样品进行同步探测或快速切换探测。本发明还公开了一种光电联合探测系统及方法。

Description

一种带电粒子束系统、光电联合探测系统及方法
技术领域
本发明涉及光电信息技术领域，尤其涉及一种带电粒子束系统、光电联合探测系统及方法。
背景技术
对物体进行探测的传统光学系统具有操作简单、方便的特点；尤其对于普通的光学显微镜，不仅样品的制备简单，而且不需要高真空等严格的探测条件。随着光学技术的发展，除了普通的光学显微镜之外，还发展了多种光学系统，如荧光显微镜、共聚焦显微镜、双(多)光子显微镜、拉曼光谱仪、研究非线性光学性质的超快脉冲激光器等。
由于传统的光学系统分辨率低，通常需要结合带电粒子束系统对物体进行更高分辨率的探测；带电粒子束系统是对微观物体进行观测或加工的精密仪器，包括：(ScanningElectron Microscope，SEM)扫描电子显微镜、(Transmission Electron Microscope，TEM)透射电子显微镜、(Scanning-Transmission Electron Microscope，STEM)扫描透射电子显微镜、(Focused Ion Beam，FIB)聚焦离子束等；与传统的光学系统相比，带电粒子束系统中的粒子束由于被加速的粒子具有很高的能量，根据德布罗意的物质波理论可知，被加速的粒子具有比光波更短的波长，根据成像分辨率与衍射的关系可知，带电粒子束系统比普通光学系统具有更高的分辨率。因此，带电粒子束系统也广泛应用与能源勘测、材料科学、生物科学等领域。
光学系统与带电粒子束系统结合使用对物体进行探测时，由于光学系统的分辨率通常为200nm，因此，通常先使用光学系统寻找目标位置，再使用带电粒子束系统进行更高分辨率的观测；但是，探测过程中对样品进行移动、保存、处理时容易改变或损坏样品，对样品重新定位时也存在困难。
因此，需要一种能够联合光学系统和带电粒子束系统进行同步或快速转换探测的系统来弥补光学系统与带电粒子束系统分步探测的缺点，并提高对物体的探测效率。但是，现有的联合光学系统和带电粒子束系统进行同步或快速转换探测的系统是将光学系统的部分或全部光学结构(如光学镜头)放入带电粒子束系统的真空样品室中，或将光学系统的光学结构(如光学镜头)与带电粒子束系统的电子显微镜集成在一个箱式装置中；但是，上述结构均由于将光学系统的光学结构放入真空样品室中而使得整个系统结构复杂、操作不方便，并且很难兼容更多种类的光学系统进行联合探测。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种带电粒子束系统、光电联合探测系统及方法，能够兼容多种光学系统对样品进行同步探测或快速切换探测。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种带电粒子束系统，所述系统包括：粒子源、镜筒和设置有第一真空窗的样品室；其中，
所述粒子源，用于产生带电粒子束，所述带电粒子束用于照射所述样品室放置的待测样品；
所述镜筒包括：用于对所述带电粒子束进行偏转的偏转装置和用于对所述带电粒子束进行聚焦的聚焦装置。
上述方案中，所述系统还包括动态密封装置，用于连接所述第一真空窗与所述样品室的外壁。
上述方案中，所述系统还包括与所述第一真空窗连接的第一位移装置，用于对所述第一真空窗的位置进行调节。
上述方案中，所述系统还包括载片，用于承载所述待测样品。
上述方案中，所述系统还包括：移动控制装置，用于对所述载片进行平移和翻转。
上述方案中，所述镜筒的侧壁设置有第二真空窗，用于将所述系统外部的光束引入至所述镜筒。
上述方案中，所述系统还包括中心设置有小孔的第一反射镜，所述第一反射镜位于所述系统的光学轴线上，所述第一反射镜与所述光学轴线夹角为45°，所述带电粒子束经所述小孔照射至待测样品。
上述方案中，所述系统还包括中心设置有小孔的第二反射镜，所述第二反射镜绕一固定轴旋转，所述第二反射镜与所述光学轴线夹角为90°时，所述带电粒子束经所述小孔照射至待测样品。
上述方案中，所述移动控制装置中的旋转轴与所述系统的光学轴线垂直相交。
上述方案中，所述载片为均匀的透明薄片或具有孔阵列的薄片。
上述方案中，所述系统还包括：位于所述镜筒下方的二次粒子探测器或背散粒子探测器；或，位于所述待测样品下方的可移动式扫描透射粒子探测器。
上述方案中，所述镜筒底部设置有第三真空窗或压差光阑结构，用于保持所述镜筒与所述样品室间的压强差。
本发明实施例还提供一种光电联合探测系统，所述光电联合探测系统包括：带电粒子束系统和光学系统；其中，
所述带电粒子束系统为本发明实施例上述的带电粒子束系统；
所述光学系统位于所述带电粒子束系统的样品室外部，所述光学系统通过所述第一真空窗对样品进行探测。
本发明实施例还提供一种光电联合探测方法，所述方法包括：
第一光学系统使用样品室底部的第一真空窗作为光束传播通道将光束引入或引出样品室进行第一探测；
带电粒子束系统产生的带电粒子束经偏转、聚焦后照射至样品，通过调节所述第一真空窗的位置和所述样品的位置中的至少一种对所述样品进行第二探测。
上述方案中，对所述样品进行第一探测和第二探测均包括以下至少一种：对所述样品进行定位、测量、扫描、成像和加工。
上述方案中，所述第一光学系统对所述样品进行第一探测后，其特征在于，所述方法还包括：控制与承载所述样品的载片连接的移动控制装置翻转，使所述样品绕所述移动控制装置的旋转轴翻转180°，翻转后的第二探测中心与翻转前的第一探测中心重合。
上述方案中，所述方法还包括：第二光学系统发出的光束从带电粒子束系统镜筒侧壁的第二真空窗进入所述镜筒后，经所述镜筒内的第二反射镜照射至所述样品，对所述样品进行加工处理。
上述方案中，所述带电粒子束照射至样品，包括：所述带电粒子束经过位于所述带电粒子束系统光学轴线上的第一反射镜中心的小孔照射至所述样品；其中，所述第一反射镜与所述光学轴线夹角为45°。
上述方案中，所述方法还包括：所述第一光学系统产生的光束从所述带电粒子束系统镜筒侧壁的第二真空窗进入，经所述镜筒内的第一反射镜照射至所述样品，对所述样品进行照明。
上述方案中，所述带电粒子束照射至样品，包括：
所述带电粒子束经过位于所述光学轴线上的第二反射镜中心的小孔照射至所述样品；其中，所述第二反射镜与所述光学轴线夹角为90°。
本发明实施例所提供的带电粒子束系统、光电联合探测系统及方法，所述带电粒子束系统产生的带电粒子束照射至样品室放置的待测样品上，对待测样品进行聚焦、成像等处理；光学系统发出的光束经由所述带电粒子束系统样品室底部的真空窗照射至样品，对所述样品进行定位、扫描、成像、测量等处理；如此，使得多种光学系统能够通过样品室底部的真空窗对所述样品进行探测；同时，带电粒子束系统产生的粒子束能够通过样品室的顶部照射至所述样品，对所述样品进行探测，实现了多种光学系统与带电粒子束系统对样品的同步探测。
对于所述带电粒子束系统，其样品室内部可设置有承载待测样品的载片，所述载片与一移动控制装置连接，用于对所述载片进行平移和翻转；通过对所述载片进行翻转，实现了光学系统与带电粒子束系统对样品的快速切换探测。
附图说明
图1为本发明实施例一带电粒子束的组成结构示意图；
图2为本发明实施例二带电粒子束的组成结构示意图；
图3为本发明实施例三带电粒子束的组成结构示意图；
图4为本发明实施例载片的结构示意图；
图5为本发明实施例对样品进行翻转的带电粒子束系统的组成结构示意图；
图6为本发明实施例四带电粒子束的组成结构示意图；
图7为本发明实施例五带电粒子束的组成结构示意图；
图8为本发明实施例六带电粒子束的组成结构示意图；
图9为本发明实施例六镜筒分割装置的结构示意图；
图10为本发明实施例电子显微镜的探测模式示意图；
图11为本发明实施例光学系统对样品进行探测的实现方式示意图；
图12为本发明实施例光电联合探测系统的组成结构示意图；
图13为本发明实施例光学系统与带电粒子束系统对样品进行探测的实现方式示意图；
图14为本发明实施例光电联合方法的实现流程示意图。
具体实施方式
以下根据说明书附图以及实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例一
本发明实施例一提供一种带电粒子束系统，所述带电粒子束系统的组成结构，如图1所示，包括粒子源101、镜筒103、设置有第一真空窗106的样品室105和动态密封装置107；其中，
所述粒子源101，用于产生带电粒子束102，所述带电粒子束用于照射所样品室105放置的待测样品114，实现对所述样品的探测；
所述镜筒103主要包括：偏转装置104，用于对所述带电粒子束进行偏转；聚焦装置113，用于对所述带电粒子束进行聚焦；
这里，所述聚焦装置113的功能可由电磁透镜实现。
所述动态密封装置107，用于连接所述第一真空窗106与所述样品室105的外壁；所述动态密封装置107的优选结构为金属波纹管。
本发明实施例中，所述第一真空窗106为透明超薄真空窗，其优选厚度为1毫米至5毫米、更优选厚度为100微米至1毫米、最优选厚度为50微米至100微米，其优选材料为氮化硅和二氧化硅；
本发明实施例中，所述样品114可直接放置在第一真空窗106上；所述带电粒子束系统通过偏转装置104和聚焦装置113使带电粒子束进行偏转和聚焦，实现带电粒子束系统对所述样品的探测。本发明实施例中，所述镜筒103为电子-光学镜筒或离子-光学镜筒。
实施例二
本发明实施例一提供一种带电粒子束系统，所述带电粒子束系统的组成结构，如图2所示，包括粒子源101、镜筒103、设置有第一真空窗106的样品室105和动态密封装置107和第一位移装置108；其中，
所述粒子源101，用于产生带电粒子束102，所述带电粒子束用于照射所样品室105放置的待测样品114，实现对所述样品的探测；
所述镜筒103主要包括：偏转装置104，用于对所述带电粒子束进行偏转；聚焦装置113，其通常是一电磁透镜，用于对所述带电粒子束进行聚焦。
所述动态密封装置107，用于连接所述第一真空窗106与所述样品室105的外壁；所述动态密封装置107的优选结构为金属波纹管。
所述第一位移装置108，用于控制所述第一真空窗进行位置移动；
本发明实施例中，所述第一真空窗106为透明超薄真空窗，其优选厚度为1毫米至5毫米、更优选厚度为100微米至1毫米、最优选厚度为50微米至100微米；其优选材料为氮化硅和二氧化硅；
本发明实施例中，所述第一位移装置108的功能可由三维位移平台实现；
本发明实施例中，所述样品114可直接放置在第一真空窗106上；所述带电粒子束系统通过偏转装置104和聚焦装置113使带电粒子束进行偏转和聚焦，同时通过控制第一位移装置108对样品114的移动，实现带电粒子束系统对所述样品的探测。
本发明实施例中，所述镜筒103为电子-光学镜筒或离子-光学镜筒。
实施例三
本发明实施例三提供一种带电粒子束系统，所述带电粒子束系统的组成结构，如图3所示，包括粒子源101、镜筒103、设置有第一真空窗106的样品室105、动态密封装置107和第一位移装置108、载片110和移动控制装置111；其中，
所述粒子源101，用于产生带电粒子束102，所述带电粒子束用于照射所样品室105放置的待测样品114，实现对所述样品的探测；
所述镜筒103主要包括：偏转装置104，用于对所述带电粒子束进行偏转；聚焦装置113，其通常是一电磁透镜，用于对所述带电粒子束进行聚焦；
所述动态密封装置107，用于连接所述第一真空窗106与所述样品室105的外壁；所述动态密封装置107的优选结构为金属波纹管。
所述第一位移装置108，用于控制所述第一真空窗进行位置移动；
所述载片110，用于承载所述待测样品114；
所述移动控制装置111，用于对所述载片110进行平移和翻转。
本发明实施例中，所述第一真空窗106为透明超薄真空窗，其优选厚度为1毫米至5毫米、更优选厚度为100微米至1毫米、最优选厚度为50微米至100微米；所述载片110的优选材料为氮化硅或二氧化硅。
本发明实施例中，所述第一位移装置108的功能可由三维位移平台实现。
本发明实施例中，所述动态密封装置107的优选结构为金属波纹管。
本发明实施例中，所述载片110的结构如图4a所示，可为一均匀的透明薄片；所述载片110的结构如图4b所示，也可为具有孔阵列的薄片，所述孔的形状不限于圆形、矩形等；所述载片110的优选材料为氮化硅或二氧化硅；为进一步减小光学探测的工作距离，并兼容大倍数光学物镜探测，所述载片110的优选厚度为100微米至500微米，更优选厚度为1微米至100微米，500纳米至1微米。
如图5所示，本发明实施例中，所述移动控制装置111对所述载片110进行平移的功能可由一三维控制平台501实现，所述移动控制装置111对所述载片进行翻转的功能可由一旋转装置502实现；所述旋转装置502的旋转轴503与所述带电粒子束系统的光学轴线504垂直相交于O点，如此，能够实现在对所述载片110进行翻转前的光学观测中心与翻转后的带电粒子束观测中心重合；在对较厚或非透明的样品进行探测时，带电粒子束系统只能对样品的上表面进行成像，而普通的光学系统无法同时对样品的上表面进行成像；此时，如图5a所示，可先将样品翻转使其位于载片下方，使用普通光学系统如光学显微镜对样品进行探测，寻找目标位置；确定目标位置后，如图4b所示，利用旋转装置502将载片翻转180°，随后使用带电粒子束系统对样品进行探测，如此，实现了普通光学系统和带电粒子束系统对较厚样品或不透明样品的快速切换探测。
实施例四
本发明实施例四提供一种带电粒子束系统，所述带电粒子束系统的组成结构，如图6所示，包括粒子源101、镜筒103、设置有第一真空窗106的样品室105、动态密封装置107和第一位移装置108、载片110、移动控制装置111和第二真空窗114和第一反射镜115；其中，
所述粒子源101，用于产生带电粒子束，所述带电粒子束用于照射所样品室105放置的待测样品，实现对所述样品的探测；
所述镜筒103主要包括：偏转装置104，用于对所述带电粒子束进行偏转；聚焦装置113，其通常是一电磁透镜，用于对所述带电粒子束进行聚焦；
所述动态密封装置107，用于连接所述第一真空窗106与所述样品室105的外壁；
所述第一位移装置108，用于控制所述第一真空窗进行位置移动；
所述载片110，用于承载所述待测样品；
所述移动控制装置111，用于对所述载片进行平移和翻转；
第二真空窗114，用于将所述带电粒子束系统外部的光束引入至所述镜筒103；
第一反射镜115，用于对所述第二真空窗114引入的外部光束进行反射，经所述第一反射镜115反射后的光束照射至样品，对所述样品进行透射式照明；
本发明实施例中，所述第一反射镜115的中心设置有小孔，所述第一反射镜115位于所述系统的光学轴线上，所述第一反射镜115与所述光学轴线夹角为45°，所述带电粒子束通过所述小孔。
本发明实施例中，102为所述带电粒子束系统的光学轴线。
本发明实施例中，所述第一真空窗106为透明超薄真空窗，其优选厚度为1毫米至5毫米、更优选厚度为100微米至1毫米、最优选厚度为50微米至100微米。
本发明实施例中，所述第一位移装置108的功能可由三维位移平台实现。
本发明实施例中，所述动态密封装置107的优选结构为金属波纹管。
本发明实施例中，所述移动控制装置111对所述载片进行平移的功能可由一三维控制平台实现，所述移动控制装置111对所述载片进行翻转的功能可由一旋转装置实现；所述移动控制装置111的旋转轴与所述带电粒子束系统的光学轴线垂直相交，如此，能够实现在对所述载片110进行翻转前的光学观测中心与翻转后的带电粒子束观测中心重合。
本发明实施例中，所述载片110的结构如图5a所示，可为一均匀的透明薄片；所述载片110的结构如图5b所示，也可为具有孔阵列的薄片，所述孔的形状不限于圆形、矩形等；所述载片110的优选材料为氮化硅或二氧化硅薄膜；为进一步减小光学探测的工作距离，并兼容大倍数光学物镜探测，所述载片110的优选厚度为100微米至500微米，更优选厚度为1微米至100微米，500纳米至1微米。
如图5所示，本发明实施例中，所述移动控制装置111对所述载片110进行平移的功能可由一三维控制平台501实现，所述移动控制装置111对所述载片进行翻转的功能可由一旋转装置502实现；所述旋转装置502的旋转轴503与所述带电粒子束系统的光学轴线504垂直相交于O点，如此，能够实现在对所述载片110进行翻转前的光学观测中心与翻转后的带电粒子束观测中心重合；在对较厚或非透明的样品进行探测时，带电粒子束系统只能对样品的上表面进行成像，而普通的光学系统无法同时对样品的上表面进行成像；此时，如图4a所示，可先将样品翻转使其位于载片下方，使用普通光学系统如光学显微镜对样品进行探测，寻找目标位置；确定目标位置后，如图5b所示，利用旋转装置502将载片翻转180°，随后使用带电粒子束系统对样品进行探测，如此，实现了普通光学系统和带电粒子束系统对较厚样品或不透明样品的快速切换探测。
实施例五
本发明实施例五提供一种带电粒子束系统，所述带电粒子束系统的组成结构，如图7所示，包括粒子源101、镜筒103、设置有第一真空窗106的样品室105、动态密封装置107和第一位移装置108、载片110、移动控制装置111和第二真空窗114和第二反射镜116；其中，
所述粒子源101，用于产生带电粒子束，所述带电粒子束用于照射所样品室105放置的待测样品，实现对所述样品的探测；
所述镜筒103主要包括：偏转装置104，用于对所述带电粒子束进行偏转；聚焦装置113，其通常是一电磁透镜，用于对所述带电粒子束进行聚焦；
所述动态密封装置107，用于连接所述第一真空窗106与所述样品室105的外壁；
所述第一位移装置108，用于控制所述第一真空窗进行位置移动；
所述载片110，用于承载所述待测样品；
所述移动控制装置111，用于对所述载片进行平移和翻转；
第二真空窗114，用于将所述带电粒子束系统外部的光束引入至所述镜筒103；
第二反射镜116，用于对所述第二真空窗114引入的外部光束进行反射，经所述第一反射镜116反射后的光束照射至样品，对所述样品进行加工等操作；
本发明实施例中，所述第二反射镜116的中心设置有小孔，所述第二反射镜116位于所述系统的光学轴线上，所述第二反射镜116与所述光学轴线夹角为90°时(图中虚线位置)，所述带电粒子束通过所述小孔；所述第二反射镜116与所述光学轴线夹角为45°时(图中实线位置)，所述从第二真空窗引入的光束经此反射镜照射到样品上。
本发明实施例中，102为所述带电粒子束系统的光学轴线。
本发明实施例中，所述第一真空窗106为透明超薄真空窗，其优选厚度为1毫米至5毫米、更优选厚度为100微米至1毫米、最优选厚度为50微米至100微米。
本发明实施例中，所述第一位移装置108的功能可由三维位移平台实现。
本发明实施例中，所述动态密封装置107的优选结构为金属波纹管。
本发明实施例中，所述移动控制装置111对所述载片进行平移的功能可由一三维控制平台实现，所述移动控制装置111对所述载片进行翻转的功能可由一旋转装置实现；所述移动控制装置111的旋转轴与所述带电粒子束系统的光学轴线垂直相交，如此，能够实现对所述载片110进行翻转前的光学观测中心与翻转后的带电粒子束探测中心重合。
本发明实施例中，所述载片110的结构如图4a所示，可为一均匀的透明薄片；所述载片110的结构如图4b所示，也可为具有孔阵列的薄片，所述孔的形状不限于圆形、矩形等；所述载片110的优选材料为氮化硅或二氧化硅；为进一步减小光学探测的工作距离，并兼容大倍数光学物镜探测，所述载片110的优选厚度为100微米至500微米，更优选厚度为1微米至100微米，500纳米至1微米。
如图5所示，本发明实施例中，所述移动控制装置111对所述载片110进行平移的功能可由一三维控制平台501实现，所述移动控制装置111对所述载片进行翻转的功能可由一旋转装置502实现；所述旋转装置502的旋转轴503与所述带电粒子束系统的光学轴线504垂直相交于O点，如此，能够实现在对所述载片110进行翻转前的光学观测中心与翻转后的带电粒子束观测中心重合；在对较厚或非透明的样品进行探测时，带电粒子束系统只能对样品的上表面进行成像，而普通的光学系统无法同时对样品的上表面进行成像；此时，如图5a所示，可先将样品翻转使其位于载片下方，使用普通光学系统如光学显微镜对样品进行探测，寻找目标位置；确定目标位置后，如图5b所示，利用旋转装置502将载片翻转180°，随后使用带电粒子束系统对样品进行探测，如此，实现了普通光学系统和带电粒子束系统对较厚样品或不透明样品的快速切换探测。
实施例六
本发明实施例六提供一种带电粒子束系统，所述带电粒子束系统的组成结构，如图8所示，包括粒子源101、镜筒103、设置有第一真空窗106的样品室105、动态密封装置107和第一位移装置108、载片110、移动控制装置111、镜筒分割装置117和供气系统118；其中，
所述粒子源101，用于产生带电粒子束，所述带电粒子束用于照射所样品室105放置的待测样品，实现对所述样品的探测；
所述镜筒103主要包括：偏转装置104，用于对所述带电粒子束进行偏转；聚焦装置113，其通常是一电磁透镜，用于对所述带电粒子束进行聚焦；
所述动态密封装置107，用于连接所述第一真空窗106与所述样品室105的外壁；
所述第一位移装置108，用于控制所述第一真空窗进行位置移动；
所述载片110，用于承载所述待测样品；
所述移动控制装置111，用于对所述载片进行平移和翻转；
所述镜筒分割装置117，设置于所述镜筒103底部，用于对所述镜筒进行分割；
所述供气系统118，用于向所述样品室105中供入气体，所述气体包括以下至少一种：氦气(He)、氢气(H2)、氮气(N2)、氧气(O2)和水蒸气，以及上述气体组成的混合气。
本发明实施例中，所述第一真空窗106为透明超薄真空窗，其优选厚度为1毫米至5毫米、更优选厚度为100微米至1毫米、最优选厚度为50微米至100微米。
本发明实施例中，102为所述带电粒子束系统的光学轴线。
本发明实施例中，所述第一位移装置108的功能可由三维位移平台实现。
本发明实施例中，所述动态密封装置107的优选结构为金属波纹管。
本发明实施例中，所述移动控制装置111对所述载片进行平移的功能可由一三维控制平台实现，所述移动控制装置111对所述载片进行翻转的功能可由一旋转装置实现；所述移动控制装置111的旋转轴与所述带电粒子束系统的光学轴线垂直相交，如此，能够实现对所述载片110进行翻转前的光学观测中心与翻转后的带电粒子束观测中心重合。
本发明实施例中，所述载片110的结构如图4a所示，可为一均匀的透明薄片；所述载片110的结构如图4b所示，也可为具有孔阵列的薄片，所述孔的形状不限于圆形、矩形等；所述载片110的优选材料为氮化硅或二氧化硅薄膜；为进一步减小光学探测的工作距离，并兼容大倍数光学物镜探测，所述载片110的优选厚度为100微米至500微米，更优选厚度为1微米至100微米，最优选厚度为500纳米至1微米。
如图5所示，本发明实施例中，所述移动控制装置111对所述载片110进行平移的功能可由一三维控制平台501实现，所述移动控制装置111对所述载片进行翻转的功能可由一旋转装置502实现；所述旋转装置502的旋转轴503与所述带电粒子束系统的光学轴线504垂直相交于O点，如此，能够实现在对所述载片110进行翻转前的光学观测中心与翻转后的带电粒子束观测中心重合；在对较厚或非透明的样品进行探测时，带电粒子束系统只能对样品的上表面进行成像，而普通的光学系统无法同时对样品的上表面进行成像；此时，如图5a所示，可先将样品翻转使其位于载片下方，使用普通光学系统如光学显微镜对样品进行探测，寻找目标位置；确定目标位置后，如图5b所示，利用旋转装置502将载片翻转180°，随后使用带电粒子束系统对样品进行探测，如此，实现了普通光学系统和带电粒子束系统对较厚样品或不透明样品的快速切换探测。
本发明实施例中，所述镜筒分割装置117的功能可由第三真空窗或压差光阑结构实现；在所述样品室不是高真空环境，而是通过充入各种气体702形成环境扫描电子显微镜(Environmental Scanning Electron Microscope，ESEM)样品室时，适合对生物样品或含水样品进行光学显微镜与电子显微镜同步探测或快速切换探测；如图9a所示，镜筒底部可由第三真空窗903a分割，用于保持所述镜筒的高真空环境，同时能够允许带电粒子束通过，所述第三真空窗的材料包括但不限于氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜和石墨烯薄膜等。如图9b所示，所述镜筒底部也可由一个或多个压差光阑结构903b进行分割，用于保持所述镜筒的高真空环境和所述样品室的低真空环境。
本发明的上述实施例中，利用电子显微镜对所述样品进行探测时，包括两种探测模式；如图10a所示，利用二次电子探测器或背散电子探测器1001a进行探测的扫描电子显微镜模式；如图10b所示，利用透射电子探测器进行探测时，所述透射电子探测器1001b为可移动式，在需要工作时，利用三维移动平台将所述透射电子探测器1001b移入样品下方；不需要工作时，利用三维移动平台将所述透射电子探测器1001b移出；这里，还可通过调节所述三维移动平台的上下移动来调节对透射电子的接收角度。
实施例七
以光学显微镜的物镜为油镜为例，光学系统对样品进行探测的实现方式如图11所示；图11a中，待测样品1101a直接放置在可移动真空窗1102a上，此时物镜油1104a与真空窗1102a形成光学介质，使得油镜1103a能够对样品1001a进行油镜观测，结合三维位移平台1105a控制样品移动，实现对样品的光学探测。图11b中，样品1101b放置在载片1106b上，载片1106b与可移动真空窗1102b之间注入高折射率的液体1105b，如油、脂类、真空润滑脂等；此时，物镜油1104b、真空窗1102b、液体1105b和样品载片1106b共同形成光学介质，使得油镜1103b能够对样品1101b进行油镜观测，结合三维位移平台1107b控制样品移动，实现对样品的光学探测。
实施例八
本发明实施例八提供一种光电联合探测系统，所述光电联合探测系统的组成结构，如图12所示，包括：带电粒子束系统20和光学系统21；其中，
所述带电粒子束系统20，为上述实施例一至实施例六任一所述带电粒子束系统；
所述光学系统21，位于所述带电粒子束系统20的样品腔室外部，所述光学系统21使用样品室底部的第一真空窗和(或)镜筒侧壁的第二真空窗作为光束传播通道将光束引入或引出样品室，通过调节样品位置、光束聚焦等对所述样品进行光学探测。
本发明实施例中，所述光学系统21包括下述至少一种：普通光学显微镜、荧光显微镜、共聚焦显微镜、双(多)光子显微镜、拉曼光谱仪、飞秒激光器。
本发明实施例中，对样品进行探测的示意图，如图13所示，图13a为光学系统反射式照明下与带电粒子束系统同时对薄样品进行探测的示意图，图13b为光学系统透射式照明下与带电粒子束系统同时对薄样品进行探测的示意图；图13a和图13b的探测方式适用于普通光学显微镜辅助电子显微镜对样品观测点进行寻找的情况；也适用于荧光显微镜辅助电子显微镜寻找生物样品的荧光标记点，再使用电子显微镜进行更高分辨率的探测；其中，1301a和1301b为点光源、面光源等照明光源，如发光二极管(Light Emitting Diode，LED)照明、氙灯照明、光纤照明等；图13b中，带电粒子束系统的镜筒中设置第一反射镜1302b，所述第一反射镜1302b中间有一个小孔，用于通过带电粒子束；所述第一反射镜1302b还用于将光源发出的光反射到样品表面，实现光学显微镜的透射式照明探测；聚光透镜1303b用于调节光学焦距和照明范围。除普通的光学照明外，扫描激光共聚焦显微镜、双(多)光子显微镜、拉曼光谱仪、脉冲激光器等需要将光束引入至样品室；对于需要将激光光束引入至样品室的情况，如图13c所示，光束可以通过镜筒侧壁的第二真空窗1305引入，也可以通过光学镜组模块1303c从下方引入；第二反射镜1302c为中间带有通孔的反射镜，所述第二反射镜1302c可以绕固定轴转动，所述第二反射镜1302c处于水平位置(图13c中虚线位置)时允许电子束通过，当所述第二反射镜1302c与所述带电粒子束系统的光学轴线夹角为45°时，光束经所述第二反射镜1302c反射后沿光学轴线照射到样品上，对所述样品进行加工等处理。
利用本发明实施例图13c所示结构，可实现扫描激光共聚焦显微镜对样品的成像，即将激光光束从样品室底部的第一真空窗引入样品室，结合三维移动平台1304c的X、Y二维扫描和Z方向扫描实现对样品的三维成像。
利用本发明实施例图13c所示结构，可通过镜筒侧壁的第二真空窗1305c将飞秒激光光束引入至带电粒子束系统的镜筒内，并控制三维移动平台1304c的移动使得样品发生位移，进而实现飞秒激光对样品的加工；在进行加工时，可通过带电粒子束系统底部外面的光学显微镜进行反射式照明探测；在加工完成后，将反射镜1302c翻转到水平位置允许带电粒子束系统中的带电粒子束通过；在飞秒激光对所述样品进行加工的加工精度不够时，还可利用带电粒子束系统对所述样品进行再加工处理；之后，再使用扫描电子显微镜进行高分辨率探测；在所述带电粒子束系统为聚焦离子束时，可以进一步对样品进行聚焦离子束加工。
本发明实施例图13c所示结构可以是带电粒子束系统与拉曼光谱仪的复合系统，实现对拉曼光谱的测量；同时结合三维移动平台1304c控制样品的移动来实现拉曼成像；此时，拉曼光谱系统位于样品室的下方，并透过样品室底部的第一真空窗进行测量；同时，还可以使用带电粒子束系统对样品进行探测。
本发明实施例图13c所示结构可以是带电粒子束系统与双(多)光子探测的复合系统，探测所需的激光光束可以从样品室底部的第一真空窗1303c或镜筒侧壁的第二真空窗1305c引入。
本发明的上述各实施例中，在光学系统与带电粒子束系统同步探测时，可通过协同调节光学镜头112、第一真空窗106和载片111在竖直方向(Z方向)上的相对位置，配合调节带电粒子束系统中的聚焦装置113的聚焦强度来调节带电粒子束的焦距，从而实现光学系统与带电粒子束系统的焦点重合，进而实现光学系统与带电粒子束系统同步探测。
本发明实施例所述的光电联合探测系统，由于光学系统完全置于样品室外，不仅使得光学系统中的光学结构具有足够的空间进行人工或机械操作，如手动操作进行高、低倍物镜的切换；而且使得所述光电联合探测系统能够兼容多种光学系统。
实施例九
基于本发明实施例的上述光电联合探测系统，本发明实施例九提供一种样品探测方法的处理流程，如图14所示，包括以下步骤：
步骤101，第一光学系统使用样品室底部的第一真空窗作为光束传播通道将光束引入或引出样品室进行第一探测；
这里，所述第一光学系统包括以下至少一种：普通光学显微镜、荧光显微镜、共聚焦显微镜、双(多)光子显微镜、拉曼光谱仪、飞秒激光器；
所述第一探测包括以下至少一种：定位、扫描、测量、成像；
具体地，所述第一光学系统为荧光显微镜时，可利用荧光显微镜对荧光蛋白标记处进行定位，再使用电子显微镜进行更高分辨率的探测；或所述第一光学系统为激光扫描模块时，激光扫描模块产生的光束经由带电粒子束系统样品室底部的第一真空窗照射至样品，通过控制三维移动平台的移动使得样品发生位移，进而对所述样品进行三维共聚焦成像；或所述第一光学系统为拉曼光谱仪时，激光束经由带电粒子束系统样品室底部的第一真空窗照射至样品产生拉曼光谱，结合三维移动平台控制样品的移动实现拉曼光谱的测量和成像；此时，拉曼光谱系统位于样品室的下方，并透过样品室底部的第一真空窗进行测量；同时，还可以使用带电粒子束系统对样品进行探测；或在对样品进行飞秒激光加工时，可通过带电粒子束系统底部外面的光学显微镜进行反射式照明探测；在加工完成后，将反射镜302c翻转到水平位置允许带电粒子束系统中的带电粒子束通过，再使用扫描电子显微镜进行高分辨率探测。
步骤102，带电粒子束系统产生的带电粒子束经偏转、聚焦后照射至样品，通过调节所述第一真空窗的位置和所述样品的位置中的至少一种对所述样品进行第二探测；
这里，所述第二探测包括以下至少一种：定位、扫描、成像、加工。
本发明实施例中，所述带电粒子束系统还包括与承载所述样品的载片连接的移动控制装置；相应的，在所述样品为较厚或非透明时，在步骤101与步骤102之间，所述方法还包括：
步骤101’，控制与承载所述样品的载片连接的移动控制装置翻转，使所述样品绕所述移动控制装置的旋转轴翻转180°；
具体地，在步骤101中，样品位于载片下方；执行完步骤101之后，控制所述移动控制装置翻转，使所述样品绕所述移动控制装置的旋转轴翻转180°，再执行步骤102；
这里，所述移动控制装置对所述载片进行翻转的功能可由一旋转装置实现，所述移动控制装置的旋转轴与所述带电粒子束系统的光学轴线垂直相交，如此，能够实现对所述载片进行翻转前的光学探测中心与翻转后的带电粒子束探测中心重合。
本发明实施例中，若所述第一光学系统为对飞秒激光加工的样品进行第一探测，在执行步骤101之前，所述方法还包括：
步骤100，第二光学系统发出的光束从带电粒子束系统镜筒侧壁的第二真空窗进入所述镜筒后，经所述镜筒内的第二反射镜照射至所述样品，对所述样品进行加工处理；
这里，所述第二光学系统为飞秒脉冲激光器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种带电粒子束系统，其特征在于，所述系统包括：粒子源、镜筒和设置有第一真空窗的样品室；其中，
所述粒子源，用于产生带电粒子束，所述带电粒子束用于照射所述样品室放置的待测样品；
所述镜筒包括：用于对所述带电粒子束进行偏转的偏转装置和用于对所述带电粒子束进行聚焦的聚焦装置；
所述镜筒的侧壁设置有第二真空窗，用于将所述系统外部的光束引入至所述镜筒；
所述系统还包括中心设置有小孔的第二反射镜，所述第二反射镜绕一固定轴旋转，所述第二反射镜与光学轴线夹角为45°时，从第二真空窗引入的光束经所述第二反射镜照射到样品上，对所述样品进行加工；所述光学轴线为粒子源产生的带电粒子束所在的直线；
所述系统还包括动态密封装置，用于连接所述第一真空窗与所述样品室的外壁；
所述系统还包括与所述第一真空窗连接的第一位移装置，用于对所述第一真空窗的位置进行调节。
2.根据权利要求1所述带电粒子束系统，其特征在于，所述系统还包括载片，用于承载所述待测样品。
3.根据权利要求2所述带电粒子束系统，其特征在于，所述系统还包括：移动控制装置，用于对所述载片进行平移和翻转。
4.根据权利要求1所述带电粒子束系统，其特征在于，所述系统还包括中心设置有小孔的第一反射镜，所述第一反射镜位于所述系统的光学轴线上，所述第一反射镜与所述光学轴线夹角为45°，所述带电粒子束经所述小孔照射至待测样品。
5.根据权利要求1所述带电粒子束系统，其特征在于，所述第二反射镜与所述光学轴线夹角为90°时，所述带电粒子束经所述小孔照射至待测样品。
6.根据权利要求3所述带电粒子束系统，其特征在于，所述移动控制装置中的旋转轴与所述系统的光学轴线垂直相交。
7.根据权利要求2所述带电粒子束系统，其特征在于，所述载片为均匀的透明薄片或具有孔阵列的薄片。
8.根据权利要求1所述带电粒子束系统，其特征在于，所述系统还包括：位于所述镜筒下方的二次粒子探测器或背散粒子探测器；
或，位于所述待测样品下方的可移动式扫描透射粒子探测器。
9.根据权利要求1所述带电粒子束系统，其特征在于，所述镜筒底部设置有第三真空窗或压差光阑结构，用于保持所述镜筒与所述样品室间的压强差。
10.一种光电联合探测系统，其特征在于，所述光电联合探测系统包括：带电粒子束系统和光学系统；其中，
所述带电粒子束系统为权利要求1至9任一项所述的带电粒子束系统；
所述光学系统位于所述带电粒子束系统的样品室外部，所述光学系统通过所述第一真空窗对样品进行探测。
11.一种光电联合探测方法，其特征在于，应用于权利要求10所述的光电联合探测系统，所述方法包括：
第一光学系统使用样品室底部的第一真空窗作为光束传播通道将光束引入或引出样品室进行第一探测；
带电粒子束系统产生的带电粒子束经偏转、聚焦后照射至样品，通过调节所述第一真空窗的位置和所述样品的位置中的至少一种对所述样品进行第二探测；
所述方法还包括：
第二光学系统发出的光束从带电粒子束系统镜筒侧壁的第二真空窗进入所述镜筒后，经所述镜筒内的第二反射镜照射至所述样品，对所述样品进行加工处理。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，对所述样品进行第一探测和第二探测均包括以下至少一种：
对所述样品进行定位、测量、扫描、成像和加工。
13.根据权利要求11或12所述的方法，所述第一光学系统对所述样品进行第一探测后，其特征在于，所述方法还包括：
控制与承载所述样品的载片连接的移动控制装置翻转，使所述样品绕所述移动控制装置的旋转轴翻转180°，翻转后的第二探测中心与翻转前的第一探测中心重合。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述带电粒子束照射至样品，包括：
所述带电粒子束经过位于所述带电粒子束系统光学轴线上的第一反射镜中心的小孔照射至所述样品；其中，所述第一反射镜与所述光学轴线夹角为45°。
15.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述第一光学系统产生的光束从所述带电粒子束系统镜筒侧壁的第二真空窗进入，经所述镜筒内的第一反射镜照射至所述样品，对所述样品进行照明。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述带电粒子束照射至样品，包括：
所述带电粒子束经过位于所述光学轴线上的第二反射镜中心的小孔照射至所述样品；其中，所述第二反射镜与所述光学轴线夹角为90°。
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